Projektowanie i właściwości samonaprawialnych kompozytów cementowych z wykorzystaniem mikrokapsułek polimerowych

• Autorzy: Wang Jing , Guo Guoying , Li Xin , Guo Wenjun , Yang Ling

Identyfikatory

DOI

10.32047/CWB.2025.30.2.5

Warianty tytułu

EN

Preparation and self-healing properties of cementitious composites using polymer microcapsules

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Kompozyty cementowe we wczesnej fazie utwardzania są podatne na mikropęknięcia spowodowane skurczem. Podczas eksploatacji powstają mikropęknięcia spowodowane obciążeniami mechanicznymi, cyklami zmian temperatury i innymi czynnikami. Mikropęknięcia te prowadzą do zmniejszenia ich trwałości, co jest powszechnym problemem w dziedzinie inżynierii. Aby zwiększyć trwałość kompozytów cementowych i umożliwić samonaprawę pęknięć, w niniejszym artykule zaproponowano innowacyjną metodę projektowania kompozytów cementowych z wykorzystaniem mikrokapsułek polimerowych, które są syntetyzowane w procesie polimeryzacji in situ. Mikrokapsułki polimerowe o wielkości cząstek około 100 μm, syntezowane są w warunkach kwaśnych [pH = 2]. Charakteryzują się jednolitą morfologią i doskonałą stabilnością termiczną. Dokonano charakterystyki mikrokapsułek oraz zbadano właściwości materiałów kompozytowych w celu oceny skuteczności tej metody. Wyniki pokazują, że mikrokapsułki syntezowane przy pH = 2 mają jednolity kulisty kształt, wielkość cząstek około 100 μm i dobrą stabilność termiczną [temperatura maksimum rozkładu wynosiła powyżej 200ᵒC]. Badania właściwości mechanicznych wykazały, że gdy zawartość mikrokapsułek wynosi 2% [w stosunku do masy cementu], 28-dniowa wytrzymałość na ściskanie próbek cementowych osiąga 35,2 MPa. Po uszkodzeniu wskaźnik odzysku osiągnął 103,5%. Doświadczenia dotyczące samonaprawiania pęknięć wykazały, że początkowe pęknięcia próbek w grupie badanej wykazały znaczący efekt leczenia, zmniejszając szerokość pęknięć o 85% w ciągu 16 dni w określonych warunkach eksploatacji. Badania wstępnie potwierdzają, że kompozyty cementowe z mikrokapsułkami mają dobry potencjał samonaprawczy i właściwości mechaniczne, dostarczając dowodów na zastosowanie samonaprawiającego się betonu w inżynierii lądowej.

EN

Cementitious composites are prone to microcracks due to shrinkage in the early stage of curing. During service, they develop microcracks due to mechanical loads, temperature cycling and other factors. These microcracks will lead to a decrease in their durability, which is a common problem in the engineering field. To enhance the durability of cementitious composites and enable crack self-healing, this study innovatively proposes a preparation method for cementitious composites using polymer microcapsules, which are synthesized by in-situ polymerization. Under acidic conditions [pH = 2], polymer microcapsules, with a particle size of around 100 μm, uniform morphology, and excellent thermal stability, are synthesized and uniformly integrated into the cement matrix. The performance of the microcapsules and the composite materials is characterized and tested to evaluate the effectiveness of the method. The results show that under specific acidic conditions [pH = 2], the synthesized microcapsules display a uniform spherical shape, with a particle size of approximately 100 μm and strong thermal stability [main decomposition temperature above 200ᵒC]. Mechanical tests reveal that when the microcapsule content is 2% [by the mass of cement], the 28-day compressive strength of cementitious specimens reaches 35.24 MPa. After damage, the recovery rate of the specimens reached 103.46 %. Crack healing experiments showed that the initial cracks of the specimens in the study group had a significant healing effect by reducing the crack width by 85% within 16 days under specific maintenance conditions. The study preliminarily confirms that the cementitious composites with microcapsules have good self-healing potential and mechanical properties, providing evidence for the engineering application of self-healing concrete.

Słowa kluczowe

PL

mikrokapsułka polimerowa; kompozyt cementowy; polimeryzacja in situ; samonaprawianie; wytrzymałość na ściskanie

EN

polymeric microcapsule; cementitious composite; in-situ polymerization; self-healing; compressive strength

• Wydawca: Fundacja Cement, Wapno, Beton
• Czasopismo: Cement Wapno Beton
• Rocznik: 2025
• Tom: R. 30, nr 2
• Strony: 160--178
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wang Jing

• Inner Mongolia Technical University of Construction, Huhehaote, China

autor

Guo Guoying

• Inner Mongolia Technical University of Construction, Huhehaote, China

autor

Li Xin

• Chengdu Urban Construction Investment Management Group Co., Ltd, Chengdu, China

autor

Guo Wenjun

• Shanxi Traffic Supervision Consulting Testing Co., Ltd., Taiyuan, China

autor

Yang Ling

• Sichuan Central Inspection Technology Inc., Zigong, China

Bibliografia

• 1. A. Mahmood, M. T. Noman, M. Pechociakova, N. Amor, B. Tomkova, J. Militky, Energy Efficient Industrial and Textile Waste for the Fabrication of Cementitious Composites: A Review. J. Text. Inst. 115(8), 1371-1387 (2024). https://doi.org/10.1080/00405000.2023.2220515
• 2. T. A. Fode, Y. A. Chande Jande, T. Kivevele, Effects of Different Supplementary Cementitious Materials on Durability and Mechanical Properties of Cement Composite – Comprehensive Review. Heliyon 9(7), e17924 (2023). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e17924
• 3. G. L. Golewski, The Phenomenon of Cracking in Cement Concretes and Reinforced Concrete Structures: The Mechanism of Cracks Formation, Causes of Their Initiation, Types and Places of Occurrence, and Methods of Detection-a Review. Build. 13(3), 765 (2023). https://doi.org/10.3390/buildings13030765
• 4. J. Zhang, C. Gong, Z. Guo, M. Zhang, Engineered Cementitious Composite with Characteristic of Low Drying Shrinkage. Cem. Concr. Res. 39(4), 303-312 (2009). https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2008.11.012
• 5. K. Pooja, N. Tarannum, Self-Healing Concrete: A Path Towards Advancement of Sustainable Infrastructure. Discov. Appl. Sci. 7(7), 703 (2025). https://doi.org/10.1007/s42452-025-06529-w
• 6. N. Cui, D. Syamsunur, S. Surol, P. I. Wahyuni, L. O. Nelfia, J. L. Ng, M. H. Momade, Material Analysis, Restoration and Protection of Modern and Contemporary Architectural Relics. Herança 8(3), In press (2025). Retrieved from https://revistaheranca.com/index.php/heranca/article/view/1129
• 7. S. Bano, G. Jaiswal, R. Kumar, A. Tiwari, M. Karthikeyan, Experimental Study on the Crack Repair Techniques of Concrete Structures: A Case Study. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 1273(1), 012006 (2023). https://doi.org/10.1088/1757-899x/1273/1/012006
• 8. A. Ghaffary, M. A. Moustafa, Synthesis of Repair Materials and Methods for Reinforced Concrete and Prestressed Bridge Girders. Mater. 13(18), 4079 (2020). https://doi.org/10.3390/ma13184079
• 9. L. Jiang, M. Wu, F. Du, D. Chen, L. Xiao, W. Chen, W. Du, Q. Ding, State-of-the-Art Review of Microcapsule Self-Repairing Concrete: Principles, Applications, Test Methods, Prospects. Polymers 16(22), 3165 (2024). https://doi.org/10.3390/polym16223165
• 10. I. S. Indhumathi, A. Dinesh, Diverse Perspectives on Self-Healing Ability of Engineered Cement Composite-All-Inclusive Insight. Constr. Build. Mater. 322, 126473 (2022). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126473
• 11. M. Wu, B. Johannesson, M. Geiker, A Review: Self-Healing in Cementitious Materials and Engineered Cementitious Composite as a Self-Healing Material. Constr. Build. Mater. 28(1), 571-583 (2012). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.08.086
• 12. M. M. Rahman, R. N. Hora, I. Ahenkorah, S. Beecham, M. R. Karim, A. Iqbal, State-of-the-Art Review of Microbial-Induced Calcite Precipitation and Its Sustainability in Engineering Applications. Sustainability 12(15), 6281 (2020). https://doi.org/10.3390/su12156281
• 13. L. A. Shen, W. Yu, L. Li, T. Zhang, I. Y. Abshir, P. Luo, Z. Liu, Microorganism, Carriers, and Immobilization Methods of the Microbial Self-Healing Cement-Based Composites: A Review. Mater. 14(17), 5116 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14175116
• 14. K. Amoorezaei, T. Ghanbari-Ghazijahani, A Comprehensive Review: Self-Healing Methods and Cementitious Composites. Struct. 72, 108038 (2025). https://doi.org/10.1016/j.istruc.2024.108038
• 15. M. A. Ammar, A. Chegenizadeh, M. A. Budihardjo, H. Nikraz, The Effects of Crystalline Admixtures on Concrete Permeability and Compressive Strength: A Review. Build. 14(9), 3000 (2024). https://doi.org/10.3390/buildings14093000
• 16. V. Cappellesso, D. di Summa, P. Pourhaji, N. Prabhu Kannikachalam, K. Dabral, L. Ferrara, M. Cruz Alonso, E. Camacho, E. Gruyaert, N. De Belie, A Review of the Efficiency of Self-Healing Concrete Technologies for Durable and Sustainable Concrete under Realistic Conditions. Int. Mater. Rev. 68(5), 556-603 (2023). https://doi.org/10.1080/09506608.2022.2145747
• 17. H. Ullah, K. A. M. Azizli, Z. B. Man, M. B. C. Ismail, M. I. Khan, The Potential of Microencapsulated Self-Healing Materials for Microcracks Recovery in Self-Healing Composite Systems: A Review. Polym. Rev. 56(3), 429-485 (2016). https://doi.org/10.1080/15583724.2015.1107098
• 18. S. Papaioannou, M. Amenta, V. Kilikoglou, D. Gournis, I. Karatasios, Critical Aspects in the Development and Integration of Encapsulated Healing Agents in Cement and Concrete. J. Adv. Concr. Technol. 19(4), 301-320 (2021). https://doi.org/10.3151/jact.19.301
• 19. B. Liu, M. Wu, W. Du, L. Jiang, H. Li, L. Wang, J. Li, D. Zuo, Q. Ding, The Application of Self-Healing Microcapsule Technology in the Field of Cement-Based Materials: A Review and Prospect. Polymers 15(12), 2718 (2023). https://doi.org/10.3390/polym15122718
• 20. K. Yu, M. Jia, W. Tian, Y. Yang, Y. Liu, Enhanced Thermo-Mechanical Properties of Cementitious Composites via Red Mud-Based Microencapsulated Phase Change Material: Towards Energy Conservation in Building. Energy 290, 130301 (2024). https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.130301
• 21. S. Jiang, Z. Lin, C. Tang, W. Hao, Preparation and Mechanical Properties of Microcapsule-Based Self-Healing Cementitious Composites. Mater. 14(17), 4866 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14174866
• 22. H. Mao, X. Cao, M. Guo, C. Jiang, D. Chen, Study on the Repair Effect of Self-Healing Cementitious Material with Urea-Formaldehyde Resin/Epoxy Resin Microcapsule. Build. 14(7), 2201 (2024). https://doi.org/10.3390/buildings14072201
• 23. X. Xie, S. Zhang, X. Qi, S. Guo, R. Ren, Status of Research on the Use of Nanomodified Microcapsules in Cement-Based Materials. Processes 12(1), 128 (2024). https://doi.org/10.3390/pr12010128
• 24. L. Shao, P. Feng, Q. Liu, Y. Zhang, Z. Yu, S. Yan, In-Situ Polymerization-Modified Cement Composites: A Critical Review. Constr. Build. Mater. 449, 138294 (2024). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.138294
• 25. M. M. Adil, M. S. Rabbi, T. Tasnim, Development of microcapsule-based self-healing composite: A critical review on influencing factors of microencapsulation, healing efficiency, thermal stability and application, Alex. Eng. J. 122, 1-17 (2025). https://doi.org/10.1016/j.aej.2025.02.092
• 26. M. Janek, J. Fronczyk, A. Pyzik, M. Szeląg, R. Panek, W. Franus, Diatomite and Na-X zeolite as carriers for bacteria in self-healing cementitious mortars, Constr. Build. Mater. 343, 128103 (2022). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.128103